基于智能感知技術(shù)的“智慧農(nóng)業(yè)”構(gòu)建

王籃儀

三亞學(xué)院

0 引言

隨著面部識(shí)別、語(yǔ)音命令、眼球跟蹤和手勢(shì)控制等“感知技術(shù)”的興起，一系列新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，例如，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市、智慧農(nóng)業(yè)。作為這一系列新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)和相關(guān)儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā)尤為重要。

1 智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用的主要傳感器技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)涉及的傳感技術(shù)包含較廣，常用的基礎(chǔ)類傳感器主要有溫濕度檢測(cè)傳感器、光照檢測(cè)傳感器、氣體濃度檢測(cè)傳感器、無(wú)線傳輸模塊等，更高一級(jí)的是結(jié)合高清攝像頭、雷達(dá)等，達(dá)到“無(wú)人管理”也能實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。

1.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器的使用已經(jīng)非常廣泛，其是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。市場(chǎng)上的溫濕度傳感器一般是測(cè)量溫度量和相對(duì)濕度量，除了在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，還包括智能家居、食品、檔案管理、溫室大棚、藥品儲(chǔ)存等領(lǐng)域。在智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建中，常用的溫濕度傳感器是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，成本低、相對(duì)濕度和溫度測(cè)量、快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)。

1.2 光照傳感器

光照傳感器主要應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，比如，大棚農(nóng)作物的種植，需要利用光照傳感器來(lái)檢測(cè)光照強(qiáng)度是否符合農(nóng)作物生長(zhǎng)的要求，以確保農(nóng)作物在合適的光照強(qiáng)度下生產(chǎn)，達(dá)到高產(chǎn)高品質(zhì)的目的。常用的光照傳感器如BH1750數(shù)字型光照檢測(cè)模塊，采用GY-30 數(shù)字光模塊進(jìn)行光照采集，內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)；可以直接連接單片機(jī)，不再需要AD轉(zhuǎn)換，BH1750FVI是I2C 總線接口，且支持f/s 模式，光譜的范圍和人眼較為相近，具有寬范圍、高分解的特點(diǎn)，能測(cè)量較為微弱的光源光照度，且受紅外線的影響很小。

1.3 氣體濃度檢測(cè)傳感器

在農(nóng)作物監(jiān)測(cè)中，主要監(jiān)測(cè)的氣體濃度是二氧化碳，特別是大棚農(nóng)作物的種植中，二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)尤其重要。所有的植物都需要吸收二氧化碳進(jìn)行光合作用，大棚中二氧化碳的濃度直接影響農(nóng)作物的品質(zhì)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的二氧化碳濃度是否充足，二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器就非常有必要。常用的光照傳感器如HDC1080，是具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，能夠以低功耗提供出色的測(cè)量精度，支持較寬的工作電源電壓范圍，具有低成本、低功耗優(yōu)勢(shì)。

1.4 無(wú)線傳輸模塊

要想真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化管理，無(wú)線傳輸模塊必不可少，其能將整個(gè)農(nóng)作物系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C(jī)交互界面，管理者可通過(guò)手機(jī)端或者其他人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)了解農(nóng)作物的各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整影響環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)。常見(jiàn)的有NRF24L01無(wú)線傳輸模塊，采用FSK調(diào)制的無(wú)線通信通信芯片，具有特定的通信協(xié)議，能按照實(shí)際需求進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)六的無(wú)線通信。

1.5 高清攝像頭

攝像頭一般提供RGB數(shù)據(jù)，缺少深度信息，雖然可以利用雙目攝像頭采集深度信息，或者用算法基于單目攝像頭做深度信息的融合，但是在實(shí)際使用過(guò)程中的誤差很大，而且單目攝像頭在每次使用前都需要做標(biāo)定，非常麻煩，因此，業(yè)界一般只采集攝像頭的RGB信息。目前，基于攝像頭的感知技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，在智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)中，結(jié)合其他傳感器再加上高清攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)攝像頭的上下左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，管理者無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督，只需要發(fā)現(xiàn)異樣再做處理，在很大程度上減少了管理者的工作量。

1.6 雷達(dá)

智慧農(nóng)業(yè)常用的雷達(dá)是激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)是可以描繪3D信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云是一個(gè)一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都有自己的空間坐標(biāo)信息，含有其反射率和方向等信息。激光雷達(dá)有兩款形式：固態(tài)激光雷達(dá)和機(jī)械式激光雷達(dá)。區(qū)分主要在于激光發(fā)射器是固定的還是運(yùn)動(dòng)式的。受益于工作原理，激光雷達(dá)受雨天、霧天、霧霾天的影響比較小，雨天雖然在點(diǎn)數(shù)上會(huì)有缺失，霧霾天在空間上會(huì)有噪點(diǎn)，但都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的算法加以解決。

通過(guò)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)動(dòng)植物生長(zhǎng)情況，有利于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，并更有效地利用土地。因此，激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展正在為未來(lái)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域做準(zhǔn)備。

2 智能感知技術(shù)在“智慧農(nóng)業(yè)”中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 智慧農(nóng)業(yè)的提出

黨的十九屆五中全會(huì)審議通過(guò)的《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，對(duì)新發(fā)展階段優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村、全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興作出總體部署，為做好當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期“三農(nóng)”工作指明了方向，智慧農(nóng)業(yè)將是農(nóng)業(yè)建設(shè)的新方向，智慧農(nóng)業(yè)包含食品安全、農(nóng)資管控、智能園區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、精梳物流、電子商務(wù)六大模塊。智慧農(nóng)業(yè)即將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中去，運(yùn)用傳感器和移動(dòng)平臺(tái)或者電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具“智慧”，顯然智慧農(nóng)業(yè)將依托智能感知技術(shù)獲得高效發(fā)展。

2.2 智能感知技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)園區(qū)中的應(yīng)用

2.2.1 智能農(nóng)業(yè)園區(qū)系統(tǒng)工作框架

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用單片機(jī)作為核心技術(shù)，結(jié)合智能傳感器模塊以及無(wú)線傳輸模塊，組成兩個(gè)功能模塊，分別是主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)檢測(cè)和處理的從機(jī)、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)設(shè)置和整體監(jiān)控的主機(jī)。其中，從機(jī)主要對(duì)實(shí)時(shí)溫濕度、光照度以及二氧化碳濃度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行信息采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渲骺貑卧獑纹瑱C(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送達(dá)至顯示模塊顯示。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報(bào)警值，主機(jī)的報(bào)警模塊會(huì)進(jìn)行報(bào)警，用戶能利用鍵盤進(jìn)行報(bào)警值的調(diào)整。綜合以上技術(shù)，達(dá)到對(duì)園區(qū)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及報(bào)警的目的。

2.2.2 智能農(nóng)業(yè)園區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為系統(tǒng)的核心，從機(jī)通過(guò)DHT11溫濕度傳感器和BH1750光照傳感器實(shí)時(shí)采集園區(qū)的環(huán)境信息，并將溫濕度和光照度在LCD12864上顯示，同時(shí)，通過(guò)NRF24L01的無(wú)線傳輸將檢測(cè)到的溫濕度和光照度傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)接收到信息后LCD12864會(huì)對(duì)接收到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示，并且會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的上限值進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警與控制。

整個(gè)智能園區(qū)系統(tǒng)包括傳感器檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊及控制模塊，最終達(dá)到無(wú)線遠(yuǎn)距離檢測(cè)智能園區(qū)環(huán)境的目的，設(shè)計(jì)電路如圖1—2所示。

圖1 智能園區(qū)系統(tǒng)從機(jī)

圖2 智能園區(qū)系統(tǒng)主機(jī)

除了利用以上基本的溫濕度傳感器模塊、光照傳感器、以及無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行園區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還可以結(jié)合二氧化碳傳感器、高清攝像頭以及激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)，使整個(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加完善，性能得到更大提升，同時(shí)，以精度更高的農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器為開(kāi)發(fā)方向，最大化地優(yōu)化智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)性能。

2.3 智能感知技術(shù)在食品安全上的應(yīng)用

“兩會(huì)”中，“食品安全”成為非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，“食品安全問(wèn)題”不止一次被提出，全社會(huì)都在關(guān)注“食品安全”問(wèn)題。智能感知技術(shù)在食品安全檢測(cè)中也有一定的應(yīng)用：（1）目前研發(fā)出來(lái)的傳感器可以檢測(cè)出部分的食品加工成分，比如，白酒、蜂蜜等的葡萄糖成分；（2）研制的電流型二氧化硫酶電極，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料，可以測(cè)定一定線性范圍的亞硫酸鹽含量；（3）Yamazaki等科學(xué)研究人員研究出了一種電流式生物傳感器，利用人造酶進(jìn)行有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑的測(cè)定。

不難發(fā)現(xiàn)，智能感知技術(shù)并不只是一種“高高在上”的技術(shù)，而是當(dāng)今人們生活和高科技行業(yè)都必不可少的重要技術(shù)，貼近生活，用之生活。

3 智能感知技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）補(bǔ)償功能。在信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，具有補(bǔ)償非線性誤差、溫度變化以及由此產(chǎn)生的信號(hào)零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移、響應(yīng)時(shí)間延遲，噪聲和交叉感應(yīng)的影響等功能；（2）自診斷功能。在接通電源后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一次自檢，系統(tǒng)開(kāi)始工作以后也能自檢，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以自診斷，確定故障原因及部位等；（3）自校準(zhǔn)功能。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和檢查系統(tǒng)參數(shù)，測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、自動(dòng)計(jì)算被測(cè)參數(shù)等；（4）數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、分析以及處理和傳輸?shù)?；?）主控單元模塊和主傳感器之間具有雙向通信的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，“智慧農(nóng)業(yè)”的實(shí)施勢(shì)在必得，也勢(shì)在必行。目前，傳感器在“智慧農(nóng)業(yè)”的各個(gè)功能項(xiàng)目上已經(jīng)起到了不同的作用，在“智慧農(nóng)業(yè)”領(lǐng)域的使用范圍也較廣，而不可否認(rèn)的是，我國(guó)“智慧農(nóng)業(yè)”領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的要求還有一段路要走。